CN110994564A - 配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，将配电网保护投入开关划分为：联络开关、出线开关、分界开关、分段开关、大分支开关，基于配电网拓扑建立网络树状图；根据馈线总长度确定馈线馈线投入保护的总级数；定义保护级数间的权重差y；自动选取保护投入开关；保护定值的实用化整定方法，只整定Ⅰ段保护定值和Ⅱ段保护定值。本发明可以显著提高配电网保护定值的选择性和灵敏性以及整定计算工作的自动化水平，同时保护开关自动选取结果还能为需要配备保护的线路提供保护配置方案，减少保护配置及投资，提高经济效益。

Description

配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法

技术领域

本发明属于配电网运营与维护技术领域，具体涉及一种配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法。

背景技术

配电网作为电力供应的最后一环枢纽，直接面向用户，保障配电网的供电质量和可靠性就显得尤为重要。配电网在实际运行时会发生各种各样的短路故障，短路故障发生后会产生很大的短路电流，若不及时切除故障，强大的短路电流会烧坏故障设备，造成事故扩大，还会使电网处于不正常的运行状态，影响电能质量。因此配电网需要配备保护装置和自动控制装置，在短路故障发生后，快速发出告警信号，并控制断路器发出跳闸命令，切除故障设备，终止不正常运行状态的发展。

随着配电网自动化的发展，馈线上装设的具有保护功能的开关越来越多，配电网的馈线长度相对较短，分支较多，如果所有开关的保护都投入运行，开关之间的保护配合比较困难，保护容易失去选择性，因此需要根据线路长度选择性地将某些开关的保护投入。另一方面，由于配电网的网架结构或者运行方式频繁调整，导致线路开关的定值需要重新整定，以确保新的网架结构下开关保护仍具备选择性和灵敏性。目前，配电网保护定值的整定主要依赖保护专责根据经验与配网线路实际情况，人工选取投入保护的开关并计算开关的保护定值，人工计算量大、工作繁琐、效率低下。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，根据配电网设备拓扑关系建立网络树状图，并对开关进行了识别划分，基于网络树状图，提出了开关保护投入的选择规则，根据规则搜索网络树状图确定馈线上要投入的定值开关；最后，针对投入保护的开关提出了一种面向配电网特征的定值整定计算方法。本发明所采用的技术方案如下：

配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，包括以下步骤：

步骤1、将配电网保护投入开关划分为：联络开关、出线开关、分界开关、分段开关、大分支开关，基于配电网拓扑建立网络树状图；

步骤2、根据馈线总长度确定馈线馈线投入保护的总级数；

步骤3、定义保护级数间的权重差y；

步骤4、自动选取保护投入开关，选取规则为：

S4.1、如果保护总级数大于等于网络树状图的层数，则所有开关都被选取、选取保护投入开关结束；否则执行下一步；

S4.2、优先选取所有分界开关；

S4.3、判断保护总级数x是否大于1，若是、选取保护投入开关结束；否则执行下一步；

S4.4、选取分段开关，以主干线分界开关为起始节点；

S4.5、按照前序遍历顺序，依次遍历分段开关节点，判断起始节点与遍历节点的权重之和A，如果A小于保护级数间的权重差y、重复执行步骤5；如果A大于等于保护级数间的权重差y，则该分段开关被选取作为保护投入开关；如果被选分段开关数小于保护总级数，则以当前被选开关为起始节点、起始节点＝当前节点，重复执行步骤5；

S4.6、选取大分支开关。按照前序遍历所有大分支开关，如果该大分支开关的供电路径上所有节点开关被选取的数量小于x-1，则该大分支开关被选取作为保护投入开关；

步骤5、保护定值的实用化整定方法，只整定Ⅰ段保护定值和Ⅱ段保护定值。

本发明的有益效果：

1.目前虽有部分专家提出了配电网的网络树状图，但是没有基于网络树状图搜索的保护定值开关自动选择算法。本发明根据配电网设备拓扑关系建立网络树状图，并对开关进行了类型识别划分，基于网络树状图，提出了开关保护投入的选择规则，根据规则搜索网络树状图确定馈线上要投入的定值开关。

2.目前暂未见保护定值开关自动选择算法相关的技术方案，针对投入保护的开关提出了一种面向配电网特征的实用化定值整定计算方法。

3.目前配电网保护定值整定算法都是传统的三段式整定算法，而配电网线路短，保护开关多，三段式整定算法计算结果常常不满足选择性和灵敏性要求。本发明提出的整定算法，保护定值整定结果可以很好地满足灵敏性和动作时限可以很满足选择性的要求，保护定值和动作时限配合很好地满足了保护的灵敏性和选择性要求。

4.本发明可以显著提高配电网保护定值的选择性和灵敏性以及整定计算工作的自动化水平，同时保护开关自动选取结果还能为需要配备保护的线路提供保护配置方案，减少保护配置及投资，提高经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1是本发明实施例的配电网的结构示意图；

图2是本发明实施例的配电网结构图对应的网络树状图；

图3是本发明实施例的自动选取保护投入开关算法流程图；

图4是本发明实施例的自动选取的开关示意图。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。

一、基于配电网拓扑建立网络树状图及保护开关分类。

如图1所示，是本发明实施例的配电网的结构示意图；如图2所示，是本发明实施例的配电网结构图对应的网络树状图。为了便于说明，先做如下定义：

供电路径：按照设备功率流动方向的反方向追溯其电源点，直到变电站母线所经过的所有设备为此设备的供电路径。例如对图1中开关s9的供电路径为S8、S1、CB及它们之间的馈线段。

供电范围：按照设备功率流动方向所能到达的所有设备为此设备的供电范围，例如对图1中的开关S3的供电范围为S4、S5、S12、S13、S14、T4、T5、T6、T13、T14、T15及它们之间的馈线段。SL1为断开状态，不算在供电范围内。

联络开关：用来连接两条配电线路以便实现不同线路间负荷转供的开关称为联络开关，通常联络开关处于断开状态。

主干线路：有联络开关的线路，则联络开关到出线开关间的线路称为主干线路；若同时存在多个联络开关，则以供电路径最长的联络开关到出线开关之间的线路为主干线路；对于没有联络开关的辐射型线路，则以供电路径最长的保护开关到出线开关之间的线路为主干线路。

出线开关：10kV母线下通往馈线的第一个开关，即变电站内开关，例如图1中的CB开关。

分界开关：位于线路最末端的具有保护功能的开关(以下简称保护开关)，包括分支最末端和主干线最后一个开关，它位于保护的最后一级，例如图1中的S5、S7、S9、S11、S13、S14等开关。

分段开关：主干线上除出线开关和分界开关及联络开关以外的保护开关。例如图1中的S1、S2、S3、S4。为了简化整定计算，将主干末端开关定义为分界开关，即主干线最后一个开关为分界开关而不是分段开关。

大分支开关：对于不止一个保护开关的分支线路，分支线路上第一个保护开关称为大分支开关，例如图1中的S6、S8、S10、S12。

配电网的网络树状图是根据配电网的网络结构，由电源侧依次枚举出各个网络节点并按照配电网结构进行连接所形成的树状图。网络树状图具有良好的扩展性，适合应用于结构繁杂的配电网。

本发明在建立配电网的网络树状图时，以保护开关作为节点，将保护开关之间的馈线段和其他设备作为枝。在配电网的网络树状图中，采用分层的方式标出各保护开关在配电网网络树状图中的位置，其基本思路为：从变压器母线节点处开始沿着功率流向搜索，当搜索到一个保护开关，则把这个保护开关定为第j层，然后再以这个保护开关的节点为起始点继续搜索与这个节点相连的分支，找到新的保护开关时，则把这个保护开关定为第j+1层，如此反复，最终遍历整个配电网。在对网络分层的过程中，“层次”的概念表现在连接关系中，离电源越近的设备其层次越低。

为了方便搜索，建立网络树状图时，将分段开关放在左子节点，分支开关放在右子节点，因为联络开关为常开开关，一般不参与定值整定，因此网络树状图忽略联络开关。对于图1所示的配电网结构图，CB表示出线开关，S表示保护开关，SL表示联络开关，T表示配电变压器，其建立的网络树状图如图2所示。从网络树状图中可以看出，网络树状图的右侧层数表示保护开关所在网络树状图的层数，在网络树状图中属于相同层数的设备定义为同层设备，同层设备分布在配电网的不同馈线支路中，图2网络树状图中共有6层。

结合网络树状图可以看出，根节点为出线开关；除第一层和最后一层外，每一层最左边的设备是分段开关；所有的叶子节点为分界开关；所有分段开关的右子节点且该右子节点非叶子节点，则该节点开关为大分支开关。定义树枝两端的节点开关的供电范围所带配变数量之差为树枝的权重，图2树状图的树枝权重如图所示。

二、基于网络树状图搜索的自动选取保护投入开关。

馈线保护投入级数根据馈线总长度确定，假设单位长度馈线所需保护级数为a，当馈线总长度为b时，馈线投入保护的总级数

即馈线总长度与单位长度馈线所需保护级数的乘积向上取整。

定义保护级数间的权重差y，为馈线上配电变压器数量n除以保护总级数x向上取整，计算公式

自动选取保护投入开关的选取规则为：

1)如果保护总级数大于等于网络树状图的层数，则所有开关都被选取、选取保护投入开关结束；否则执行下一步。

2)优先选取所有分界开关。

3)判断保护总级数x是否大于1，若是、选取保护投入开关结束；否则执行下一步。

4)选取分段开关，以主干线出线开关为起始节点。

5)按照前序遍历顺序，依次遍历分段开关节点，判断起始节点与遍历节点的权重之和A，如果A小于保护级数间的权重差y、重复执行步骤5。如果A大于等于保护级数间的权重差y，则该分段开关被选取作为保护投入开关；如果被选分段开关数小于保护总级数，则以当前被选开关为起始节点，重复执行步骤5。

6)选取大分支开关。按照前序遍历所有大分支开关，如果该大分支开关的供电路径上所有节点开关被选取的数量小于x-1，则该大分支开关被选取作为保护投入开关。

如图3所示，是本发明实施例的自动选取保护投入开关算法流程图。

对于图1所示的配电网，假设馈线总长度为b＝30km，每公里长度需投保护级数a＝0.1，则线路保护总级数为x＝3，保护级数间的权重差y＝5。按照开关选取规则，首先选取分界开关S5、S7、S9、S11、S13、S14。然后以出线开关为起点遍历左子节点开关，找到开关S1，CB与S1间的权重为3小于y，所以S1不选取，继续遍历S2，CB与S2之间的权重和为6大于y，因此S2被选取；此时分段开关被选数为1，小于x-1＝2，因此以S2为起点，继续遍历分段开关，找到S3、S2与S3之间的权重为3小于y，S3不选取，继续遍历到S4、S2与S4之间的权重和为6大于y，因此S4被选取；此时被选分段开关为2，等于x-1＝2，分段开关选取结束。继续前序遍历大分支开关，找到S12，其供电路径开关为CB、S1、S2、S3，其中被选取的开关数为1，小于x-1＝2，因此S12被选取。继续遍历到S10，其供电路径开关为CB、S1、S2，其中被选取的开关数为1，小于x-1＝2，因此S10被选取。继续遍历到S8，其供电路径开关为CB、S1，其中被选取的开关数为0，小于x-1＝2，因此S8被选取。继续遍历到S6，其供电路径开关为CB，其中被选取的开关数为0，小于x-1＝2，因此S6被选取。最终被选取的开关为S2、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14。如图4所示，是本发明实施例的自动选取的开关示意图，自动选择的开关用灰色底纹标示出。

本发明提出的整定开关自动选取算法同样适用于为增设保护装置的线路提供保护配置方案，此时在建模时将保护开关替换为断路器即可。

三、保护定值的实用化整定方法。

本发明的保护定值实用化整定方法是在传统的三段式保护整定算法和上述开关自动选取结果基础上进行了简化，只整定Ⅰ段保护定值和Ⅱ段保护定值。具体做法是，先根据开关自动选取算法选定保护投入开关，并将开关划分为分段开关，分界开关，和大分支开关；然后通过传统整定计算方法整定分界开关的定值，分段开关和大分支开关定值整定不再依据传统定值计算方案计算，而是通过其下一级保护开关的定值乘以一个级差系数得到。分段开关和大分支开关定值整定计算时按保护级数从大到小依次整定计算。由于通过级差系数计算得到的保护定值在选择性上无法保证，因此通过同一段保护在不同级开关间配置不同动作延时，达到选择性要求。

3.1Ⅰ段保护定值计算

分界开关Ⅰ段定值计算

分界开关采用躲过开关后面的最大配变容量的配变低压侧发生短路的最大短路电流来确定其Ⅰ段定值，计算步骤如下：

1.查询分界开关供电范围内所有配变，计算该开关供电范围内所有配变的最大短路电流。首先计算配变的等值阻抗。

U_K％为配变短路阻抗，即短路电压百分数，S为配变容量，X_配变为配变电抗。

2.计算配变低压侧的最大短路电流。

这里X_线路为线路阻抗，X_系统为系统最大运行方式阻抗，I_配变为配变二次侧发生短路时流过整定开关的短路电流。

3.计算开关Ⅰ段保护定值

I_setI＝I_配变*K_可靠系数

分段开关/大分支开关的Ⅰ段定值计算

分段开关和大分支开关Ⅰ段定值计算采用从末端往前逐级计算的方法，Ⅰ段定值和下游开关Ⅰ段值配合，通过下游开关最大定值乘以级差得到。计算步骤如下：

1.首先获取整定开关下游所有相邻保护开关获取Ⅰ段保护定值

2.下游所有相邻保护开关获取Ⅰ段保护定值，取最大值I_max。

I_max＝max{I_1setI，I_2setI，…，I_nsetI}

3.用I_max乘以级差系数k_级差，得到整定开关的Ⅰ段保护定值。

I_setI＝k_级差*I_max

3.2Ⅱ段保护定值计算。

分界开关Ⅱ段定值计算。

分界开关采用躲过开关后面的最大负荷电流来确定其Ⅱ段定值，计算步骤如下：

1.查询开关供电范围，找出供电范围内所有配变，将配变的容量相加得到开关所带最大负荷。

S_总＝S₁+S₂+……+S_n

Si是每个配变的容量。

2.通过最大负荷计算最大负荷电流I_最大负荷。

U_额定为10.5kV。

3.计算Ⅱ段保护定值。

I_setII＝I_最大负荷*K_可靠系数

——定时限过流保护的可靠系数，一般取为1.2～1.3；

K_st——电动机的自启动系数；

K_re——电流继电器的返回系数，一般取0.85～0.9；

分段开关/大分支开关的Ⅱ段定值计算

分段开关和大分支开关Ⅱ段定值和下游开关Ⅱ段值配合，通过下游开关最大定值乘以级差得到。计算步骤如下：

1.首先获取整定开关下游相邻保护开关，获取Ⅱ段保护定值。

2.比较各开关Ⅱ段保护定值，取最大值I_max。

I_max＝max{I_1setII，I_2setII，…，I_nsetII}

3.用I_max乘以级差系数K_级差系数，得到整定开关的Ⅱ段保护定值。

I_setII＝I_max*K_级差系数

3.3Ⅰ段和Ⅱ段保护动作时限整定

Ⅰ段保护动作时限和Ⅱ段保护动作时限整定过程一致，先通过确定最后一级保护的动作时限，通过设定相邻级保护时差，逐级整定。

1.通过拓扑搜索确定开关所处保护级数N；

2.确定最后一级保护时延T0和相邻级保护时差t；

3.计算第i级开关的动作时限

T_i＝T0+(N-i)*t

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将配电网保护开关划分为：联络开关、出线开关、分界开关、分段开关、大分支开关，基于配电网拓扑建立网络树状图；

步骤2、根据馈线总长度确定馈线馈线投入保护的总级数；

步骤3、定义保护级数间的权重差y；

步骤4、自动选取保护投入开关；

步骤5、保护定值的实用化整定方法，只整定Ⅰ段保护定值和Ⅱ段保护定值。

2.根据权利要求1所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，步骤4所述的自动选取保护投入开关的选取规则为：

S4.1、如果保护总级数大于等于网络树状图的层数，则所有开关都被选取、选取保护投入开关结束；否则执行下一步；

S4.2、优先选取所有分界开关；

S4.3、判断保护总级数x是否大于1，若是、选取保护投入开关结束；否则执行下一步；

S4.4、选取分段开关，以主干线分界开关为起始节点；

S4.5、按照前序遍历顺序，依次遍历分段开关节点，判断起始节点与遍历节点的权重之和A，如果A小于保护级数间的权重差y、重复执行步骤5；如果A大于等于保护级数间的权重差y，则该分段开关被选取作为保护投入开关；如果被选分段开关数小于保护总级数，则以当前被选开关为起始节点、起始节点＝当前节点，重复执行步骤5；

S4.6、选取大分支开关。按照前序遍历所有大分支开关，如果该大分支开关的供电路径上所有节点开关被选取的数量小于x-1，则该大分支开关被选取作为保护投入开关。

3.根据权利要求1所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，步骤1所述的基于配电网拓扑建立网络树状图的规则是：

根据配电网的网络结构，由电源侧依次枚举出各个网络节点并按照配电网结构进行连接形成网络树状图。

4.根据权利要求3所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，建立网络树状图时以保护开关作为节点，将保护开关之间的馈线段和其他设备作为枝；采用分层的方式标出各保护开关在网络树状图中的位置。

5.根据权利要求1所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，步骤2所述的根据馈线总长度确定馈线馈线投入保护的总级数的计算方法为：

假设单位长度馈线所需保护级数为a，当馈线总长度为b时，馈线投入保护的总级数

即馈线总长度与单位长度馈线所需保护级数的乘积向上取整。

6.根据权利要求1所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，步骤3所述的定义保护级数间的权重差y的公式为

y为馈线总配变数n除以保护总级数x向上取整。

7.根据权利要求1－6任一项所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，步骤5所述的保护定值的实用化整定方法为：通过传统整定计算方法整定分界开关的定值，分段开关和大分支开关定值整定通过其下一级保护开关的定值乘以一个级差系数得到，分段开关和大分支开关定值整定计算时按保护级数从大到小依次整定计算。

8.根据权利要求7所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，Ⅰ段保护定值的计算方法如下：

分界开关Ⅰ段定值计算：分界开关采用躲过开关后面的最大配变容量的配变低压侧发生短路的最大短路电流来确定其Ⅰ段定值；

分段开关/大分支开关的Ⅰ段定值计算：采用从末端往前逐级计算的方法，Ⅰ段定值和下游开关Ⅰ段值配合，通过下游开关最大定值乘以级差得到。

9.根据权利要求7所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，Ⅱ段过流保护定值计算如下：

分界开关Ⅱ段定值计算：分界开关采用躲过开关后面的最大负荷电流来确定其Ⅱ段定值；

分段开关/大分支开关的Ⅱ段定值计算：分段开关和大分支开关Ⅱ段定值和下游开关Ⅱ段值配合，通过下游开关最大定值乘以级差得到。

10.根据权利要求7所述的配电网保护投入开关自动选取和定值整定方法，其特征在于，Ⅰ段和Ⅱ段保护动作时限整定的方法如下：

Ⅰ段保护动作时限和Ⅱ段保护动作时限整定过程一致，先通过确定最后一级保护的动作时限，通过设定相邻级保护时差，逐级整定。

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